JP7220122B2

JP7220122B2 - Ion implanter, ion source

Info

Publication number: JP7220122B2
Application number: JP2019105167A
Authority: JP
Inventors: 明男東
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2019-06-05
Filing date: 2019-06-05
Publication date: 2023-02-09
Anticipated expiration: 2039-06-05
Also published as: JP2020198265A

Description

本発明はイオン源と、そのイオン源を用いたイオン注入装置の技術分野にかかり、特に、イオン量が大きいイオンビームを注入対象物に照射できるイオン注入装置と、そのイオンビームを射出できるイオン源とに関する。 The present invention relates to the technical field of an ion source and an ion implantation apparatus using the ion source, and more particularly, an ion implantation apparatus capable of irradiating an object to be implanted with an ion beam having a large amount of ions, and an ion source capable of emitting the ion beam. About.

図３の符号１０３は、従来技術のイオン源であり、このイオン源は、イオン発生部１０４と、イオン集束部１０５とを有している。 Reference numeral 103 in FIG. 3 denotes a conventional ion source, which has an ion generating section 104 and an ion focusing section 105 .

イオン発生部１０４はプラズマ槽１１５と磁石装置１０６とを有しており、イオン集束部１０５はイオンビーム槽１２５を有している。 The ion generating section 104 has a plasma chamber 115 and a magnet device 106 , and the ion focusing section 105 has an ion beam chamber 125 .

プラズマ槽１１５の根本側はケース１２７の中に配置されており、プラズマ槽１１５の先端側がイオンビーム槽１２５の端部と向き合う状態で、イオンビーム槽１２５は、碍子１２３を介してケース１２７に取り付けられ、接地電位に接続されており、プラズマ槽１１５とイオンビーム槽１２５とは気密に接続されている。プラズマ槽１１５とイオンビーム槽１２５とは真空排気装置１３７によって真空排気されている。 The base side of the plasma chamber 115 is arranged in a case 127, and the ion beam chamber 125 is attached to the case 127 via an insulator 123 in a state in which the tip side of the plasma chamber 115 faces the end of the ion beam chamber 125. are connected to the ground potential, and the plasma chamber 115 and the ion beam chamber 125 are airtightly connected. The plasma chamber 115 and the ion beam chamber 125 are evacuated by an evacuation device 137 .

プラズマ槽１１５はプラズマ電源１３５に接続され、２０ｋＶ程度の高電圧が印加されており、プラズマ槽１１５の内部にイオン源１３６からイオン化ガスが導入され、マイクロ波源１３４からマイクロ波が導入されてアンテナ１２６によって放射され、イオン化ガスが電離して電子が生成される。 The plasma chamber 115 is connected to a plasma power supply 135 and is applied with a high voltage of about 20 kV. and ionize the ionized gas to produce electrons.

生成された電子は磁石装置１０６が形成する磁界によって閉じ込められてマイクロ波によって加熱され、プラズマ槽１１５の内部にイオン化ガスのプラズマが形成される。生成された電子はアンテナ１２６によってプラズマ槽１１５の内部に戻され、イオン化ガスを電離させる。 The generated electrons are confined by the magnetic field created by the magnet device 106 and heated by microwaves to form a plasma of ionized gas inside the plasma chamber 115 . The generated electrons are returned into the plasma chamber 115 by the antenna 126 and ionize the ionized gas.

プラズマ槽１１５の内部には、プラズマ電源１３５によって高電圧が印加されたプラズマ電極１１４が配置されており、プラズマ電極１１４と正対する接地電位の引出電極１２４との間の電位差によってプラズマ中の正イオンが引出電極１２４によってプラズマ電極１１４のプラズマ孔１１６から引き出される。 A plasma electrode 114 to which a high voltage is applied by a plasma power supply 135 is arranged inside the plasma tank 115, and positive ions in the plasma are generated by a potential difference between the plasma electrode 114 and a lead-out electrode 124 having a ground potential that is directly opposed to the plasma electrode 114. is extracted from plasma hole 116 of plasma electrode 114 by extraction electrode 124 .

引き出されたイオンは引出電極１２４の引出孔１１７を通過してイオンビームとなってイオンビーム槽１２５の内部に入射する。 The extracted ions pass through the extraction hole 117 of the extraction electrode 124 to become an ion beam and enter the ion beam chamber 125 .

イオンビーム槽１２５の中の、イオンビームの進行方向にはアインツェルレンズ１３０が配置されている。 An einzel lens 130 is arranged in the ion beam chamber 125 in the direction in which the ion beam travels.

イオンビーム槽１２５の中には磁石装置１０６が形成する磁界が侵入しており、その磁界の影響を受けないために、アインツェルレンズ１３０は磁石装置１０６から所定距離離間した位置に配置されており、イオンビーム槽１２５の中には、引出孔１１７を通過したイオンビームが通過する連絡管１０８が配置されている。連絡管１０８は接地電位に接続されており、連絡管１０８を通過したイオンビームはアインツェルレンズ１３０に入射する。 The magnetic field formed by the magnet device 106 penetrates into the ion beam chamber 125, and the einzel lens 130 is arranged at a position spaced apart from the magnet device 106 by a predetermined distance so as not to be affected by the magnetic field. In the ion beam tank 125, a connecting pipe 108 is arranged through which the ion beam passing through the extraction hole 117 passes. The connecting pipe 108 is connected to ground potential, and the ion beam passing through the connecting pipe 108 is incident on the Einzel lens 130 .

引出孔１１７を通過したイオンビームは連絡管１０８の中を通過してアインツェルレンズ１３０に入射する。 After passing through the extraction hole 117 , the ion beam passes through the connecting tube 108 and enters the Einzel lens 130 .

アインツェルレンズ１３０は、イオンビームの流れに沿って配置された第一、第二円筒電極１３１、１３２と、第一、第二円筒電極１３１、１３２の間に配置された中央円筒電極１３３とを有している。 The Einzel lens 130 has first and second cylindrical electrodes 131 and 132 arranged along the flow of the ion beam, and a central cylindrical electrode 133 arranged between the first and second cylindrical electrodes 131 and 132. have.

第一、第二円筒電極１３１、１３２と中央円筒電極１３３とは同径の円筒形形状であり、第一、第二円筒電極１３１、１３２と中央円筒電極１３３との間は所定距離離間して配置され、第一、第二円筒電極１３１、１３２は接地電位に接続され、中央円筒電極１３３は集束電源１３９によって高電圧が印加されている。 The first and second cylindrical electrodes 131 and 132 and the central cylindrical electrode 133 have a cylindrical shape with the same diameter, and the first and second cylindrical electrodes 131 and 132 and the central cylindrical electrode 133 are separated by a predetermined distance. The first and second cylindrical electrodes 131 and 132 are connected to ground potential, and the central cylindrical electrode 133 is applied with a high voltage by a focused power supply 139 .

連絡管１０８を通過したイオンビームはアインツェルレンズ１３０に入射してアインツェルレンズ１３０を通過する間に、第一円筒電極１３１と中央円筒電極１３３と第二円筒電極１３２とが形成する電界によって集束される。 The ion beam that has passed through the connecting tube 108 is incident on the Einzel lens 130 and focused by the electric field formed by the first cylindrical electrode 131 , the central cylindrical electrode 133 and the second cylindrical electrode 132 while passing through the Einzel lens 130 . be done.

集束されたイオンビームの進行方向には放出孔１１８と走行槽１４１が配置されており、集束されたイオンビームは放出孔１１８を通過して走行槽１４１の内部に入射し、走行槽１４１の中を走行する間に質量分析され、所望の質量電荷比のイオンが注入対象物に照射されると、そのイオンは注入対象物の中に注入される。 An ejection hole 118 and a travel tank 141 are arranged in the direction in which the focused ion beam travels. When the object is irradiated with ions having a desired mass-to-charge ratio, the ions are injected into the object.

注入対象物が半導体の場合、半導体の導電率や導電型がイオン注入によって制御される。 When the object to be implanted is a semiconductor, the conductivity and conductivity type of the semiconductor are controlled by ion implantation.

イオンの注入に要する時間を短縮させるために、注入対象物に注入されるイオンの量を増加させるイオン注入装置が求められており、そのためには、プラズマ槽１１５から多量のイオンを引き出すことができるイオン源が必要となる。 In order to shorten the time required for implanting ions, an ion implanter capable of increasing the amount of ions implanted into an object to be implanted is desired. An ion source is required.

プラズマ孔１１６を大きくすれば、プラズマ中から引き出せるイオン量は増大するが、プラズマ孔１１６を大きくすると、連絡管１０８を走行するイオンビームが大きく発散し、イオンビームがアインツェルレンズ１３０を通過する際に、イオンビームの外周部分がアインツェルレンズ１３０に衝突してしまう。 If the plasma hole 116 is made larger, the amount of ions that can be extracted from the plasma is increased. Then, the peripheral portion of the ion beam collides with the Einzel lens 130 .

その結果、イオンビームの透過率が低下して注入対象物に到達できるイオンの量が少量しか増加しなかった。 As a result, the transmittance of the ion beam is lowered, and the amount of ions that can reach the implantation target is increased only by a small amount.

特開平５－２０５６４８号公報JP-A-5-205648 実開昭６４－９３４７号公報Japanese Utility Model Laid-Open No. 64-9347

本発明は、アインツェルレンズに衝突するイオンを減少させ、注入対象物に照射されるイオンの量を増加させる技術を提供する。 The present invention provides a technique for reducing the number of ions colliding with the Einzel lens and increasing the amount of ions irradiated to the implantation target.

本願発明の発明者等は、アインツェルレンズを引出孔に近接させれば、イオンがアインツェルレンズに衝突しなくなると考え、そのため、第一円筒電極と中央円筒電極との間の円筒の中心軸線に沿った方向の距離や中央円筒電極と第二円筒電極との間との円筒の中心軸線に沿った方向の距離を小さくすれば、アインツェルレンズの中心軸線に沿った方向の長さが短くなり、イオンがアインツェルレンズの電極に衝突しにくくなると考えた。 The inventors of the present invention believe that if the Einzel lens is brought closer to the extraction hole, ions will not collide with the Einzel lens, so the central axis of the cylinder between the first cylindrical electrode and the central cylindrical electrode If the distance along the central axis of the cylinder and the distance between the central cylindrical electrode and the second cylindrical electrode along the central axis of the cylinder are reduced, the length of the einzel lens along the central axis becomes short. As a result, the ions are less likely to collide with the electrodes of the Einzel lens.

また、アインツェルレンズを磁石装置に近接させることができれば、イオンビームが大きく発散する前にイオンビームをアインツェルレンズに入射させることができ、イオンビームがアインツェルレンズの電極に衝突しにくくなると考えた。 In addition, if the Einzel lens can be brought close to the magnet device, the ion beam can be incident on the Einzel lens before the ion beam diverges greatly, and it is thought that the ion beam will be less likely to collide with the electrode of the Einzel lens. rice field.

本発明は上記考えに基づいて創作されたものであり、本発明は、イオンビームを射出するイオン源と、前記イオン源に接続された走行槽と、前記走行槽に設けられた質量分析部と、注入対象物が配置される試料室とを有し、前記イオン源にはイオン生成部とイオン集束部とが設けられ、前記イオン生成部で生成されたイオンが引き出され、イオンビームとなって前記イオン集束部で集束されて前記走行槽に射出され、射出された前記イオンビーム中のイオンは前記質量分析部によって質量分析され、所望の質量電荷比を有するイオンから成るイオンビームが前記試料室の内部に配置された前記注入対象物に照射され、前記注入対象物に前記イオンが注入されるイオン注入装置であって、前記イオン生成部にはプラズマ槽が設けられ、前記イオン集束部には、イオンビーム槽と、第一円筒部と、第二円筒部と、中央円筒電極と、が設けられ、前記プラズマ槽と前記第一円筒部と前記第二円筒部と前記中央円筒電極とはそれぞれ円筒形形状にされて中心軸線が一致して配置され、前記第二円筒部は前記イオンビーム槽の内部に配置され、前記中央円筒電極は前記第二円筒部の内部に配置され、前記第一円筒部と前記第二円筒部とは電気的に接続され、前記第一円筒部の一端部の底面は円板形形状の引出電極にされ、前記第一円筒部の他端部と、前記第二円筒部の両端と前記中央円筒電極の両端とは開口にされ、前記第一円筒部は前記プラズマ槽と非接触にされて前記引出電極が前記プラズマ槽の内部に挿入され、前記引出電極は前記プラズマ槽の内部に配置されたプラズマ電極と正対され、前記第一円筒部の前記他端部は前記イオンビーム槽の内部に位置し、前記中央円筒電極は前記第一円筒部の下流側に配置され、前記第二円筒部の両端は前記中央円筒電極の両端からはみ出しており、はみ出した部分の前記イオンビームの上流側を第一円筒電極とし、下流側を第二円筒電極とすると、前記第一円筒部と前記中央円筒電極の間に前記第一円筒電極で取り囲まれた空間が配置され、前記中央円筒電極の下流側には前記第二円筒電極で取り囲まれた空間が配置されており、前記引出電極と前記第一、第二円筒電極には同電位が印加され、前記中央円筒電極には前記第一、第二円筒電極よりも高電圧が印加され、前記プラズマ電極と前記引出電極との間の電位差によって前記引出電極に設けられた引出孔から前記プラズマ槽の内部のイオンが引き出されてイオンビームとなり、前記第一円筒電極と前記中央円筒電極と前記第二円筒電極とで集束されるイオン注入装置である。
本発明は、前記イオン生成部は環状の第一、第二ミラー磁石を有し、前記第二ミラー磁石は前記第一ミラー磁石よりも前記中央円筒電極に近い位置に互いに離間して配置され、前記プラズマ槽は、前記第一、第二ミラー磁石の中央の貫通孔に挿入され、前記プラズマ槽の前記第一、第二ミラー磁石の間の部分は多極磁石によって取り囲まれ、前記プラズマ槽の内部の前記第一、第二ミラー磁石の間に電子が閉じ込められ、ガス供給源から前記プラズマ槽の内部に供給されたイオン化ガスがイオンにされるイオン注入装置である。
本発明は、前記第二ミラー磁石と前記第一円筒電極との間には磁気を遮蔽する磁気シールド装置が配置されたイオン注入装置である。
本発明は、前記第一円筒部の下流側の端部の開口の周囲と、前記第二円筒部の上流側の開口の周囲とは、環状形形状の平板の肩部電極によって電気的・機械的に接続されたイオン注入装置である。
本発明は、イオン生成部とイオン集束部とが設けられ、前記イオン生成部で生成されたイオンが引き出され、イオンビームとなって前記イオン集束部で集束されて射出されるイオン源であって、前記イオン生成部にはプラズマ槽が設けられ、前記イオン集束部には、イオンビーム槽と、第一円筒部と、第二円筒部と、中央円筒電極と、が設けられ、前記プラズマ槽と前記第一円筒部と前記第二円筒部と前記中央円筒電極とはそれぞれ円筒形形状にされて中心軸線が一致して配置され、前記第二円筒部は前記イオンビーム槽の内部に配置され、前記中央円筒電極は前記第二円筒部の内部に配置され、前記第一円筒部と前記第二円筒部とは電気的に接続され、前記第一円筒部の一端部の底面は円板形形状の引出電極にされ、前記第一円筒部の他端部と、前記第二円筒部の両端と前記中央円筒電極の両端とは開口にされ、前記第一円筒部は前記プラズマ槽と非接触にされて前記引出電極が前記プラズマ槽の内部に挿入され、前記引出電極は前記プラズマ槽の内部に配置されたプラズマ電極と正対され、前記第一円筒部の前記他端部は前記イオンビーム槽の内部に露出され、前記中央円筒電極は前記第一円筒部の下流側に配置され、前記第二円筒部の両端は前記中央円筒電極の両端からはみ出しており、はみ出した部分の前記イオンビームの上流側を第一円筒電極とし、下流側を第二円筒電極とすると、前記第一円筒部と前記中央円筒電極の間に前記第一円筒電極で取り囲まれた空間が配置され、前記中央円筒電極の下流側には前記第二円筒電極で取り囲まれた空間が配置されており、前記引出電極と前記第一、第二円筒電極には同電位が印加され、前記中央円筒電極には前記第一、第二円筒電極よりも高電圧が印加され、前記プラズマ電極と前記引出電極との間の電位差によって前記引出電極に設けられた引出孔から前記プラズマ槽の内部のイオンが引き出されてイオンビームとなり、前記第一円筒電極と前記中央円筒電極と前記第二円筒電極とで集束されるイオン源である。
本発明は、前記イオン生成部は環状の第一、第二ミラー磁石を有し、前記第二ミラー磁石は前記第一ミラー磁石よりも前記中央円筒電極に近い位置に互いに離間して配置され、前記プラズマ槽は、前記第一、第二ミラー磁石の中央の貫通孔に挿入され、前記プラズマ槽の前記第一、第二ミラー磁石の間の部分は多極磁石によって取り囲まれ、前記プラズマ槽の内部の前記第一、第二ミラー磁石の間に電子が閉じ込められ、ガス供給源から前記プラズマ槽の内部に供給されたイオン化ガスがイオンにされるイオン源である。
本発明は、前記第二ミラー磁石と前記第一円筒電極との間には磁気を遮蔽する磁気シールド装置が配置されたイオン源である。
本発明は、前記第一円筒部の下流側の端部の開口の周囲と、前記第二円筒部の上流側の開口の周囲とは、環状形形状の平板の肩部電極によって電気的・機械的に接続されたイオン源である。 The present invention has been created based on the above idea, and the present invention comprises an ion source that emits an ion beam, a travel tank connected to the ion source, and a mass spectrometer provided in the travel tank. and a sample chamber in which an object to be implanted is arranged, and the ion source is provided with an ion generation section and an ion focusing section, and ions generated in the ion generation section are extracted to form an ion beam. The ions in the ion beam are focused by the ion focusing section and ejected into the traveling tank, and the ions in the ejected ion beam are subjected to mass analysis by the mass analysis section. an ion implanter for irradiating the object to be implanted and implanting the ions into the object to be implanted, wherein the ion generating section is provided with a plasma bath, and the ion focusing section is provided with , an ion beam chamber, a first cylindrical portion, a second cylindrical portion, and a central cylindrical electrode, wherein the plasma chamber, the first cylindrical portion, the second cylindrical portion, and the central cylindrical electrode are respectively The second cylindrical part is arranged inside the ion beam chamber, the central cylindrical electrode is arranged inside the second cylindrical part, and the first The cylindrical portion and the second cylindrical portion are electrically connected, the bottom surface of one end of the first cylindrical portion is a disk-shaped extraction electrode, and the other end of the first cylindrical portion and the second cylindrical portion are connected to each other. Both ends of the two cylindrical portions and both ends of the central cylindrical electrode are opened, the first cylindrical portion is kept out of contact with the plasma chamber, and the extraction electrode is inserted into the plasma chamber, and the extraction electrode is The other end of the first cylindrical portion is located inside the ion beam chamber, and the central cylindrical electrode is located downstream of the first cylindrical portion, facing the plasma electrode disposed inside the plasma chamber. Both ends of the second cylindrical portion protrude from both ends of the central cylindrical electrode. A space surrounded by the first cylindrical electrode is arranged between the first cylindrical portion and the central cylindrical electrode, and a space surrounded by the second cylindrical electrode is arranged downstream of the central cylindrical electrode. The same potential is applied to the extraction electrode and the first and second cylindrical electrodes, a higher voltage is applied to the central cylindrical electrode than the first and second cylindrical electrodes, and the plasma electrode and the extraction are applied to the central cylindrical electrode. Due to the potential difference between the electrode and In the ion implanter, ions are extracted to form an ion beam and focused by the first cylindrical electrode, the central cylindrical electrode and the second cylindrical electrode.
In the present invention, the ion generating unit has annular first and second mirror magnets, the second mirror magnet is arranged at a position closer to the central cylindrical electrode than the first mirror magnet and spaced apart from each other, The plasma chamber is inserted into the central through hole of the first and second mirror magnets, the portion of the plasma chamber between the first and second mirror magnets is surrounded by multipolar magnets, and the plasma chamber is In the ion implanter, electrons are confined between the first and second mirror magnets inside, and an ionized gas supplied from a gas supply source to the inside of the plasma chamber is ionized.
The present invention is an ion implanter in which a magnetic shield device for shielding magnetism is arranged between the second mirror magnet and the first cylindrical electrode.
According to the present invention, the circumference of the opening of the downstream end of the first cylindrical portion and the circumference of the opening of the upstream side of the second cylindrical portion are electrically and mechanically connected by annular-shaped flat plate shoulder electrodes. 1 is a statically connected ion implanter.
The present invention is an ion source provided with an ion generating section and an ion focusing section, wherein ions generated by the ion generating section are extracted, converted into an ion beam, and emitted after being focused by the ion focusing section. , the ion generating part is provided with a plasma tank, the ion focusing part is provided with an ion beam tank, a first cylindrical part, a second cylindrical part, and a central cylindrical electrode, and the plasma tank and The first cylindrical portion, the second cylindrical portion, and the central cylindrical electrode are each formed into a cylindrical shape and arranged with their central axes aligned, and the second cylindrical portion is arranged inside the ion beam chamber, The central cylindrical electrode is disposed inside the second cylindrical portion, the first cylindrical portion and the second cylindrical portion are electrically connected, and the bottom surface of one end of the first cylindrical portion is disc-shaped. The other end of the first cylindrical portion, both ends of the second cylindrical portion, and both ends of the central cylindrical electrode are open, and the first cylindrical portion is in non-contact with the plasma chamber. and the extraction electrode is inserted into the plasma chamber, the extraction electrode is opposed to the plasma electrode disposed inside the plasma chamber, and the other end of the first cylindrical portion is connected to the ion beam chamber. The central cylindrical electrode is arranged downstream of the first cylindrical portion, both ends of the second cylindrical portion protrude from both ends of the central cylindrical electrode, and the protruding portion of the ion beam Assuming that the upstream side is a first cylindrical electrode and the downstream side is a second cylindrical electrode, a space surrounded by the first cylindrical electrode is arranged between the first cylindrical portion and the central cylindrical electrode, and the central cylindrical electrode A space surrounded by the second cylindrical electrode is arranged on the downstream side of the, the same potential is applied to the extraction electrode and the first and second cylindrical electrodes, and the central cylindrical electrode is the first , a voltage higher than that of the second cylindrical electrode is applied, and the ions inside the plasma chamber are extracted from the extraction hole provided in the extraction electrode by the potential difference between the plasma electrode and the extraction electrode to form an ion beam. , an ion source focused by said first cylindrical electrode, said central cylindrical electrode and said second cylindrical electrode.
In the present invention, the ion generating unit has annular first and second mirror magnets, the second mirror magnet is arranged at a position closer to the central cylindrical electrode than the first mirror magnet and spaced apart from each other, The plasma chamber is inserted into the central through hole of the first and second mirror magnets, the portion of the plasma chamber between the first and second mirror magnets is surrounded by multipolar magnets, and the plasma chamber is An ion source in which electrons are confined between the first and second mirror magnets inside and an ionized gas supplied from a gas supply source to the inside of the plasma chamber is ionized.
The present invention is an ion source in which a magnetic shield device for shielding magnetism is arranged between the second mirror magnet and the first cylindrical electrode.
According to the present invention, the circumference of the opening of the downstream end of the first cylindrical portion and the circumference of the opening of the upstream side of the second cylindrical portion are electrically and mechanically connected by annular-shaped flat plate shoulder electrodes. It is a statically connected ion source.

第二円筒部内に第二円筒部よりも小径で短い中央円筒電極を配置し、第二円筒部の両側を中央円筒電極からはみ出させ、上流側にはみ出した部分で第一円筒電極を形成させ、下流側にはみ出した部分で第二円筒電極を形成させてアインツェルレンズが得られた。 Disposing a central cylindrical electrode smaller in diameter and shorter than the second cylindrical portion in the second cylindrical portion, protruding both sides of the second cylindrical portion from the central cylindrical electrode, and forming the first cylindrical electrode in the portion protruding upstream, An Einzel lens was obtained by forming a second cylindrical electrode on the part protruding downstream.

このアインツェルレンズでは、第一円筒電極と中央円筒電極の間の中心軸線に沿った方向の距離と、中心円筒電極と第二円筒電極との間の中心軸線で沿った方向の距離とはゼロになり、中心軸線方向の長さが短くなっている。その結果、アインツェルレンズの電極に衝突するイオンは減少し、また、装置も小型になった。 In this einzel lens, the distance along the central axis between the first cylindrical electrode and the central cylindrical electrode and the distance along the central axis between the central cylindrical electrode and the second cylindrical electrode are zero. , and the length in the direction of the central axis is shortened. As a result, the number of ions colliding with the electrodes of the Einzel lens has decreased, and the device has become smaller.

磁気シールド装置によって磁石装置の磁気がイオンビーム槽の内部へ侵入することが抑制されるので、アインツェルレンズは磁石装置に近接して配置されている。その結果、イオンビームが大きく発散する前にアインツェルレンズによってイオンビームを集束させるようになっている。 Since the magnetic shield device prevents the magnetism of the magnet device from penetrating into the ion beam chamber, the Einzel lens is arranged close to the magnet device. As a result, the ion beam is focused by the einzel lens before the ion beam diverges greatly.

本発明のイオン注入装置の全体図General view of the ion implanter of the present invention そのイオン源を説明するための図Diagram for explaining the ion source 従来技術のイオン源を説明するための図A diagram for explaining a conventional ion source

＜イオン注入装置＞
図１は、本発明のイオン注入装置２の一例を示しており、該イオン注入装置２は、本発明のイオン源３の一例を有している。 <Ion implanter>
FIG. 1 shows an example of an ion implanter 2 of the present invention, which includes an example of an ion source 3 of the present invention.

このイオン源３には、イオンが内部を走行する走行槽４１が接続されており、走行槽４１には、イオン源３を上流側とすると、イオン源３の下流側には、質量分析部４３と、加速部４４と、スキャン部４５と、注入部４６とを有している。 The ion source 3 is connected to a traveling tank 41 in which ions travel. , an acceleration section 44 , a scanning section 45 and an injection section 46 .

走行槽４１は真空排気装置４０によって真空排気され、後述するように、イオン源３の放出口から走行槽４１の内部にイオンビームが射出され、質量分析部４３に入射する。 The traveling tank 41 is evacuated by the evacuation device 40 , and an ion beam is emitted from the discharge port of the ion source 3 into the traveling tank 41 and enters the mass spectrometer 43 , as will be described later.

質量分析部４３の内部には磁界が形成されており、イオンビーム中の所望の質量電荷比のイオンが磁界中を通過し、質量分析部４３の下流側に配置された加速部４４に入射する。 A magnetic field is formed inside the mass analysis unit 43 , and ions having a desired mass-to-charge ratio in the ion beam pass through the magnetic field and enter the acceleration unit 44 arranged downstream of the mass analysis unit 43 . .

加速部４４の内部には電界が形成されており、加速部４４に入射したイオンビーム中のイオンは電界によって加速され、スキャン部４５に入射し、スキャン部４５を通過して注入部４６が有する試料室４７に入射する。 An electric field is formed inside the acceleration section 44, and the ions in the ion beam entering the acceleration section 44 are accelerated by the electric field, enter the scanning section 45, pass through the scanning section 45, and are held by the injection section 46. Incident into the sample chamber 47 .

試料室４７の内部には基板等の注入対象物１０が配置されており、イオンビームは注入対象物１０に照射される。 An implantation object 10 such as a substrate is placed inside the sample chamber 47, and the ion beam is applied to the implantation object 10. As shown in FIG.

スキャン部４５の内部には電界又は磁界又はその両方が形成されており、イオンビームは電界や磁界中を走行する間に進行方向が所望の方向に変化され、イオンビームの注入対象物１０上の照射位置が移動され、注入対象物１０の表面全部にイオンビームが照射される。 An electric field, a magnetic field, or both are formed inside the scanning unit 45, and the traveling direction of the ion beam is changed to a desired direction while traveling in the electric field or the magnetic field. The irradiation position is moved, and the entire surface of the implantation object 10 is irradiated with the ion beam.

注入対象物１０に照射されたイオンビーム中のイオンは注入対象物１０の中に注入される。 The ions in the ion beam irradiated onto the implantation target 10 are implanted into the implantation target 10 .

＜イオン源３＞
図２は、イオン源３を説明するための内部概略図である。 <Ion source 3>
FIG. 2 is an internal schematic diagram for explaining the ion source 3. As shown in FIG.

イオン源３は、イオン生成部４と、イオン集束部５とを有している。 The ion source 3 has an ion generating section 4 and an ion focusing section 5 .

イオン源３は円筒形形状のプラズマ槽１５と磁石装置６とを有しており、イオン集束部５は、ステンレス鋼が整形された角筒のイオンビーム槽２５と電極装置７とを有している。 The ion source 3 has a cylindrical plasma chamber 15 and a magnet device 6 , and the ion focusing unit 5 has a square cylindrical ion beam chamber 25 made of stainless steel and an electrode device 7 . there is

磁石装置６は第一、第二ミラー磁石１１、１２と多極磁石１３とを有している。 The magnet arrangement 6 has first and second mirror magnets 11 , 12 and a multipole magnet 13 .

第一、第二ミラー磁石１１、１２はそれぞれリング形形状であり、中央に貫通孔を有している。第一、第二ミラー磁石１１、１２は、ここでは複数の小さい永久磁石がリング状に配置されて一個の第一、第二ミラー磁石１１、１２がそれぞれ形成されている。プラズマ槽１５は非磁性体である銅が整形された円筒であり、第一、第二ミラー磁石１１、１２の貫通孔４２，４８に挿入され、プラズマ槽１５は第一、第二ミラー磁石１１、１２によって取り囲まれている。 Each of the first and second mirror magnets 11 and 12 is ring-shaped and has a through hole in the center. The first and second mirror magnets 11 and 12 are here formed by a plurality of small permanent magnets arranged in a ring to form one first and second mirror magnet 11 and 12 respectively. The plasma bath 15 is a cylinder made of copper, which is a non-magnetic material, and is inserted into the through holes 42 and 48 of the first and second mirror magnets 11 and 12. , 12.

第一、第二ミラー磁石１１、１２により、プラズマ槽１５の内部にはプラズマ槽１５の長さ方向に沿った磁力線が形成され、磁束密度は第一、第二ミラー磁石１１、１２の周辺で大きくなり、第一、第二ミラー磁石１１、１２の間で小さくなるようにされている。 The first and second mirror magnets 11 and 12 form magnetic lines of force along the length of the plasma chamber 15 inside the plasma chamber 15 , and the magnetic flux density is around the first and second mirror magnets 11 and 12 . It becomes larger and becomes smaller between the first and second mirror magnets 11 and 12 .

多極磁石１３は第一ミラー磁石１１と第二ミラー磁石１２との間に配置されており、多極磁石１３内に配置された複数の磁極がプラズマ槽１５の外周側面に配置されている。多極磁石１３は多数の小磁石が、ハルバッハ配列(Halbach array)された筒形形状に配置されて構成されており、多極磁石１３は、外周面上の磁場強度よりも内周面側の磁場強度が強くなるようにされている。 The multipole magnet 13 is arranged between the first mirror magnet 11 and the second mirror magnet 12 , and the plurality of magnetic poles arranged in the multipole magnet 13 are arranged on the outer peripheral side surface of the plasma vessel 15 . The multipolar magnet 13 is configured by arranging a large number of small magnets in a cylindrical shape in a Halbach array. The magnetic field strength is made stronger.

プラズマ槽１５の両端は第一ミラー磁石１１と多極磁石１３と第二ミラー磁石１２とが配置された範囲からはみ出しており、第一ミラー磁石１１からはみ出した部分を上流部分、第二ミラー磁石１２からはみ出した部分を下流部分とすると、プラズマ槽１５の上流部分の側面には、ガス供給管５６とマイクロ波供給管５４とが接続され、上流部分の底面からプラズマ槽１５の内部にはアンテナ２６が突き出されている。 Both ends of the plasma bath 15 protrude from the range in which the first mirror magnet 11, the multipolar magnet 13, and the second mirror magnet 12 are arranged. 12 is the downstream portion, a gas supply pipe 56 and a microwave supply pipe 54 are connected to the side surface of the upstream portion of the plasma chamber 15. 26 are protruding.

図２の符号３８は、プラズマ槽１５と磁石装置６が配置された筺体であり、イオンビーム槽２５は、碍子６３を介して筺体３８に取り付けられている。ここでは、碍子６３と筺体３８の間には後述する磁気シールド装置８が配置されている。 Reference numeral 38 in FIG. 2 denotes a housing in which the plasma chamber 15 and the magnet device 6 are arranged. Here, a magnetic shield device 8 to be described later is arranged between the insulator 63 and the housing 38 .

プラズマ槽１５の外部にはプラズマ電源３５が配置されている。プラズマ槽１５と筺体３８とにはプラズマ電源３５が出力する高電圧が印加されている。電極装置７とイオンビーム槽２５とは接地電位に接続されている。 A plasma power supply 35 is arranged outside the plasma bath 15 . A high voltage output from a plasma power supply 35 is applied to the plasma bath 15 and the housing 38 . The electrode device 7 and the ion beam bath 25 are connected to ground potential.

プラズマ槽１５の第二ミラー磁石１２からはみ出した部分の先端はイオンビーム槽２５の一端の底面側からイオンビーム槽２５の内部に挿入されており、プラズマ槽１５とイオンビーム槽２５との間は気密に接続されている。イオンビーム槽２５の他端の底面には底板５８が設けられており、底板５８には放出孔１８が形成されている。 The tip of the portion of the plasma chamber 15 protruding from the second mirror magnet 12 is inserted into the ion beam chamber 25 from the bottom side of one end of the ion beam chamber 25, and the space between the plasma chamber 15 and the ion beam chamber 25 is hermetically connected. A bottom plate 58 is provided on the bottom surface of the other end of the ion beam tank 25, and the discharge hole 18 is formed in the bottom plate 58. As shown in FIG.

電極装置７は、後述するように、取付装置５０によってイオンビーム槽２５に取り付けられており、電極装置７は、イオンビーム槽２５の内部のプラズマ槽１５の先端から離間した位置に配置され、電極装置７は、イオンビーム槽２５とプラズマ槽１５とは非接触で配置されている。 The electrode device 7 is attached to the ion beam chamber 25 by a mounting device 50, as will be described later. The apparatus 7 is arranged without contact between the ion beam bath 25 and the plasma bath 15 .

イオンビーム槽２５には真空排気装置３７が接続されており、真空排気装置３７が動作するとプラズマ槽１５の内部とイオンビーム槽２５との内部とは真空排気される。 An evacuation device 37 is connected to the ion beam chamber 25, and when the evacuation device 37 operates, the inside of the plasma chamber 15 and the inside of the ion beam chamber 25 are evacuated.

ガス供給管５６はガス供給源３６に接続され、マイクロ波供給管５４はマイクロ波供給源３４に接続されており、プラズマ槽１５の内部が真空排気されて真空雰囲気にされ、プラズマ槽１５の内部にガス供給源３６からイオン化ガスが導入され、マイクロ波供給源３４からマイクロ波が導入されると、マイクロ波は同軸管のアンテナ２６からプラズマ槽１５の内部に放射される。 The gas supply pipe 56 is connected to the gas supply source 36, the microwave supply pipe 54 is connected to the microwave supply source 34, the inside of the plasma chamber 15 is evacuated to a vacuum atmosphere, and the inside of the plasma chamber 15 is When ionized gas is introduced from the gas supply source 36 and microwaves are introduced from the microwave supply source 34 , the microwaves are radiated from the coaxial antenna 26 into the plasma chamber 15 .

プラズマ槽１５の内部には、第一、第二ミラー磁石１１、１２と多極磁石１３とによって磁界が形成されており、プラズマ槽１５の内部の空間のうち、磁束密度が極大になる場所は閉曲面上に位置しており、その閉曲面を極大閉曲面６４とすると、極大閉曲面６４によって、磁束密度が２πｆｍ／ｑ(ｆ：マイクロ波周波数、ｍ：電子質量、ｑ：電気素量)となるＥＣＲ閉曲面６５が取り囲まれており、ＥＣＲ閉曲面６５の中心には、磁束密度が最小となる極小点６６が位置している。 Inside the plasma chamber 15, a magnetic field is formed by the first and second mirror magnets 11 and 12 and the multipolar magnet 13. Among the space inside the plasma chamber 15, the location where the magnetic flux density is maximized is It is positioned on a closed curved surface, and if the closed curved surface is defined as a maximum closed curved surface 64, the maximum closed curved surface 64 causes a magnetic flux density of 2πfm/q (f: microwave frequency, m: electronic mass, q: elementary charge). An ECR closed curved surface 65 is surrounded, and at the center of the ECR closed curved surface 65 is located a local minimum point 66 where the magnetic flux density is minimum.

正イオン生成の過程を説明すると、まず、プラズマ槽１５の内部にイオン化ガスが導入された状態で、極大閉曲面６４内で自然発生した暗流の電子がＥＣＲ閉曲面６５の内部で加速され、高速電子が発生する。 To explain the process of generating positive ions, first, in a state in which an ionized gas is introduced into the plasma chamber 15, electrons in a dark current naturally generated within the maximum closed curved surface 64 are accelerated within the ECR closed curved surface 65, Electrons are generated.

高速電子はイオン化ガスに衝突して正イオンと電子が生成され、生成された正イオンと電子は、磁界に沿った螺旋軌道の飛行を開始する。 The high-speed electrons collide with the ionized gas to produce positive ions and electrons, and the produced positive ions and electrons start flying in spiral trajectories along the magnetic field.

磁界に沿った螺旋軌道を飛行する正イオンと電子とは、弱い磁界の領域から強い磁界の領域へ進むときに反発力を受けるため、正イオンと電子とは、極大閉曲面６４の内部を往復移動する(磁気ミラー効果)。そしてその結果、極大閉曲面６４の内部にプラズマが形成される。 Positive ions and electrons flying in a spiral trajectory along the magnetic field receive a repulsive force when moving from a weak magnetic field region to a strong magnetic field region, so the positive ions and electrons reciprocate inside the maximum closed curved surface 64. move (magnetic mirror effect). As a result, plasma is formed inside the maximum closed curved surface 64 .

正イオンと電子とが磁界に沿った往復移動をする際に、電子がＥＣＲ閉曲面６５を繰り返し通過することで、マイクロ波からプラズマにエネルギーが持続的に供給され、正イオンと電子とが生成され、プラズマが維持される。 When the positive ions and electrons reciprocate along the magnetic field, the electrons repeatedly pass through the ECR closed curved surface 65, thereby continuously supplying energy from the microwave to the plasma, generating positive ions and electrons. and the plasma is maintained.

第一ミラー磁石１１側を上流側、第二ミラー磁石１２側を下流側とすると、プラズマ槽１５の内部の空間のうち、極大閉曲面６４よりも上流側にはアンテナ２６の先端が位置しており、プラズマ槽１５の内部の極大閉曲面６４よりも下流側の場所にはプラズマ電極１４が配置されている。 Assuming that the first mirror magnet 11 side is the upstream side and the second mirror magnet 12 side is the downstream side, the tip of the antenna 26 is positioned upstream of the maximum closed curved surface 64 in the space inside the plasma chamber 15 . Plasma electrode 14 is arranged at a location downstream of maximum closed curved surface 64 inside plasma chamber 15 .

アンテナ２６にはプラズマ槽１５に対する負電圧(－５０～－５００V)が印加されており、負電圧が印加されたアンテナ２６は、極大閉曲面６４からその上流側へ漏れる電子を極大閉曲面６４の内部に押し戻し、プラズマ中の電子密度を大きくする。 A negative voltage (-50 to -500 V) is applied to the antenna 26 with respect to the plasma chamber 15, and the antenna 26 to which the negative voltage is applied absorbs electrons leaking from the maximum closed curved surface 64 to the upstream side of the maximum closed curved surface 64. They are pushed back inside, increasing the electron density in the plasma.

プラズマ電極１４は円板形形状の金属電極であり、プラズマ槽１５と同電位であり、プラズマ電源３５が出力する２０ｋＶ程度の加速電圧が印加されている。 The plasma electrode 14 is a disk-shaped metal electrode, has the same potential as the plasma bath 15, and is applied with an acceleration voltage of about 20 kV output from the plasma power supply 35. As shown in FIG.

電極装置７は、外径がプラズマ槽１５の内径よりも小さい円筒形形状の第一円筒部２１と、内径がプラズマ槽１５の内径よりも大きい円筒形形状の第二円筒部２２と、外径が第２円筒部２２よりも小さい円筒形形状の中央円筒電極３３とを有している。第一円筒部２１と第二円筒部２２とプラズマ槽１５と中央円筒電極３３とは同じ中心軸線２８を有するように配置されている。 The electrode device 7 includes a cylindrical first cylindrical portion 21 having an outer diameter smaller than the inner diameter of the plasma chamber 15, a cylindrical second cylindrical portion 22 having an inner diameter larger than the inner diameter of the plasma chamber 15, and an outer diameter and a central cylindrical electrode 33 having a cylindrical shape smaller than the second cylindrical portion 22 . The first cylindrical portion 21 , the second cylindrical portion 22 , the plasma chamber 15 and the central cylindrical electrode 33 are arranged so as to have the same central axis 28 .

第一円筒部２１の両端を一端部と他端部とすると、第一円筒部２１の一端部はプラズマ槽１５の内部にプラズマ槽１５と非接触に配置され、他端部はプラズマ槽１５の外部に位置するようにされている。この他端部はイオンビーム槽２５の内部に位置している。 Assuming that both ends of the first cylindrical portion 21 are one end and the other end, one end of the first cylindrical portion 21 is disposed inside the plasma chamber 15 without contact with the plasma chamber 15 , and the other end is located outside the plasma chamber 15 . It is intended to be located externally. The other end is located inside the ion beam chamber 25 .

第一円筒部２１の一端部の底面の底板はプラズマ槽１５の内部に配置されており、プラズマ電極１４に対して正対する円板形形状の引出電極２４にされており、他端部の底面は開口にされている。 The bottom plate of the bottom surface of one end of the first cylindrical portion 21 is disposed inside the plasma chamber 15 and is a disk-shaped extraction electrode 24 facing the plasma electrode 14. is open.

第二円筒部２２の両端は開口にされており、第二円筒部２２の両端のうち、上流側の端部開口の中心は、第一円筒部２１の他端部の開口の中心と同じ位置か、又は第一円筒部２１の他端部の開口の中心よりも下流側に位置するようにされている。 Both ends of the second cylindrical portion 22 are open, and of the two ends of the second cylindrical portion 22, the center of the opening on the upstream side is at the same position as the center of the opening on the other end of the first cylindrical portion 21. Alternatively, it is located downstream of the center of the opening of the other end of the first cylindrical portion 21 .

プラズマ槽１５と、第一、第二円筒部２１、２２と、中央円筒電極３３とは導電性を有する材料例えば金属で形成されており、第一円筒部２１の下流側の端部の開口の周囲と、第二円筒部２２の上流側の開口の周囲とは、環状形形状の平板の肩部電極２３によって、電気的・機械的に接続されている。肩部電極２３が第一、第二円筒部２１、２２の中心軸線２８に対して直角又は直角に近い角度であるときは第一、第二円筒部２１、２２の間の中心軸線２８に沿った方向の距離が従来技術よりも短くなる。第一、第二円筒部２１、２２と肩部電極２３とは同電位になるようにされている。引出電極２４は第一円筒部２１と同電位である。 The plasma bath 15, the first and second cylindrical portions 21 and 22, and the central cylindrical electrode 33 are made of a conductive material such as metal. The surroundings and the surroundings of the opening on the upstream side of the second cylindrical portion 22 are electrically and mechanically connected by a shoulder electrode 23 having an annular shape and a flat plate. Along the central axis 28 between the first and second cylindrical portions 21 and 22 when the shoulder electrode 23 is perpendicular or nearly perpendicular to the central axis 28 of the first and second cylindrical portions 21 and 22 , the distance in the direction of the beam is shorter than that of the conventional technology. The first and second cylindrical portions 21 and 22 and the shoulder electrode 23 are made to have the same potential. The extraction electrode 24 has the same potential as the first cylindrical portion 21 .

イオンビーム槽２５の内周面には取付装置５０が設けられており、第二円筒部２２は取付装置５０によってイオンビーム槽２５に固定されている。従って、第一円筒部２１と肩部電極２３とは、第二円筒部２２を介して取付装置５０によってイオンビーム槽２５に固定されている。 A mounting device 50 is provided on the inner peripheral surface of the ion beam tank 25 , and the second cylindrical portion 22 is fixed to the ion beam tank 25 by the mounting device 50 . Therefore, the first cylindrical portion 21 and the shoulder electrode 23 are fixed to the ion beam chamber 25 by the mounting device 50 via the second cylindrical portion 22 .

引出電極２４は第一円筒部２１と電気的に接続され、引出電極２４と第一円筒部２１と肩部電極２３と第二円筒部２２とは同電位になるようにされている。 The extraction electrode 24 is electrically connected to the first cylindrical portion 21, and the extraction electrode 24, the first cylindrical portion 21, the shoulder electrode 23, and the second cylindrical portion 22 are made to have the same potential.

引出電極２４とプラズマ電極１４とは中心軸線２８が一致するように配置されており、プラズマ電極１４にはプラズマ孔１６が設けられ、引出電極２４には引出孔１７が設けられている。 The extraction electrode 24 and the plasma electrode 14 are arranged so that the center axis 28 is aligned, the plasma electrode 14 is provided with the plasma hole 16 and the extraction electrode 24 is provided with the extraction hole 17 .

プラズマ孔１６と引出孔１７と放出孔１８とは円形であり、プラズマ槽１５と同じ中心軸線２８を有するように配置されている。プラズマ孔１６と引出孔１７とは同程度の大きさにされている。 The plasma hole 16 , the extraction hole 17 and the discharge hole 18 are circular and arranged to have the same central axis 28 as the plasma vessel 15 . The plasma hole 16 and the extraction hole 17 are approximately the same size.

第二円筒部２２は接地電位であり、プラズマ電極１４には２０ｋＶ程度の加速電圧が印加されているから、プラズマ電極１４の電位を基準とすると、引出電極２４にはプラズマ電極１４に印加された電圧の極性を反転した極性の電圧が印加されている。 The second cylindrical portion 22 is at the ground potential, and an acceleration voltage of about 20 kV is applied to the plasma electrode 14. Therefore, when the potential of the plasma electrode 14 is used as a reference, the extraction electrode 24 is applied to the plasma electrode 14. A voltage having a polarity that is the opposite of the voltage is applied.

プラズマ槽１５の内部には、引出電極２４の電位がプラズマ孔１６を介して影響した電界が形成されており、極大閉曲面６４からプラズマ電極１４付近に移動した正イオンは引出電極２４が形成する電界によってプラズマ孔１６から引き出され、引出孔１７を通過して、電極装置７の第一円筒部２１の内部に入射し、入射した多量の正イオンは第一円筒部２１の内部をイオンビームとなって飛行し、第一円筒部２１の開口から射出されて第二円筒部２２の内部に入射する。 An electric field is formed inside the plasma chamber 15 by the influence of the potential of the extraction electrode 24 via the plasma hole 16 , and the extraction electrode 24 forms positive ions that move from the maximum closed curved surface 64 to the vicinity of the plasma electrode 14 . A large amount of positive ions are extracted from the plasma hole 16 by the electric field, pass through the extraction hole 17, and enter the first cylindrical portion 21 of the electrode device 7. flies, is ejected from the opening of the first cylindrical portion 21 and enters the second cylindrical portion 22 .

この場合、イオンビームの直径はプラズマ孔１６の直径の大きさに影響されており、プラズマ孔１６の直径が大きい場合はイオンビームの直径も大きくなり、多量のイオンが引き出されるが、プラズマ孔１６の直径が大きいとイオンの発散も大きくなる。 In this case, the diameter of the ion beam is affected by the size of the diameter of the plasma hole 16. If the diameter of the plasma hole 16 is large, the diameter of the ion beam also increases and a large amount of ions are extracted. The larger the diameter of the ions, the greater the divergence of the ions.

中央円筒電極３３は、第二円筒部２２の内部に配置されている。 The central cylindrical electrode 33 is arranged inside the second cylindrical portion 22 .

中央円筒電極３３の中心軸線２８は、第一、第二円筒部２１、２２の中心軸線２８と一致するように配置されている。 The center axis 28 of the central cylindrical electrode 33 is arranged so as to coincide with the center axes 28 of the first and second cylindrical portions 21 and 22 .

第一円筒部２１の直径と第二円筒部２２の直径と中央円筒電極３３の直径とは、第一円筒部２１が中央円筒電極３３の中に非接触で挿入可能で、中央円筒電極３３が第二円筒部２２の中に非接触で挿入可能な大きさに形成されている。 The diameter of the first cylindrical portion 21, the diameter of the second cylindrical portion 22, and the diameter of the central cylindrical electrode 33 are such that the first cylindrical portion 21 can be inserted into the central cylindrical electrode 33 without contact, and the central cylindrical electrode 33 is It is sized to be inserted into the second cylindrical portion 22 without contact.

中央円筒電極３３と第二円筒部２２との間は、アーク放電の防止のために１ｍｍ以上の距離離間させるのがよく、グロー放電防止のためにラーマ－半径ｒの２倍以下にするとよい。 The distance between the central cylindrical electrode 33 and the second cylindrical portion 22 should preferably be 1 mm or more to prevent arc discharge, and should be less than twice the Larmor radius r to prevent glow discharge.

ここで、電子の質量ｍ(9.11×10^-31ｋｇ)と、電子の速度ｖ、電気素量ｑ、磁束密度Ｂを用いると、
ラーマ－半径ｒ＝ｍｖ／(｜ｑ｜・Ｂ)
、と記載することができる。 Here, using the electron mass m (9.11×10 ^-31 kg), the electron velocity v, the elementary charge q, and the magnetic flux density B,
Larmor-radius r = mv/(|q|・B)
, can be written as

イオンビーム量を大きくするために、プラズマ孔１６の直径と、引出孔１７の直径と、中央円筒電極３３の直径と、第二円筒部２２の直径とは、下記関係が望ましい。 In order to increase the amount of ion beam, it is desirable that the diameter of the plasma hole 16, the diameter of the extraction hole 17, the diameter of the central cylindrical electrode 33, and the diameter of the second cylindrical portion 22 have the following relationship.

プラズマ孔１６＜引出孔１７＜中央円筒電極３３＜第二円筒部２２
第二円筒部２２の側面には取付孔５５が設けられており、取付装置５０の突起部分５７が取付孔５５から第二円筒部２２の内部に挿入され、突起部分５７の先端が中央円筒電極３３に取り付けられている。中央円筒電極３３は、第二円筒部２２とは接触しない状態で第二円筒部２２の内部に配置されている。 plasma hole 16<extraction hole 17<central cylindrical electrode 33<second cylindrical portion 22
A mounting hole 55 is provided in the side surface of the second cylindrical portion 22, and a protruding portion 57 of the mounting device 50 is inserted into the second cylindrical portion 22 through the mounting hole 55, and the tip of the protruding portion 57 is connected to the central cylindrical electrode. 33 is attached. The central cylindrical electrode 33 is arranged inside the second cylindrical portion 22 without contacting the second cylindrical portion 22 .

ここでは取付装置５０は一個記載したが、取付装置５０と取付孔５５は複数個設け、複数個の取付装置５０によって、電極装置７を支持することもできる。 Although one attachment device 50 is described here, a plurality of attachment devices 50 and attachment holes 55 may be provided, and the electrode device 7 may be supported by a plurality of attachment devices 50 .

第二円筒部２２は中央円筒電極３３の両側で中央円筒電極３３からはみ出しており、中央円筒電極３３よりも上流側のはみ出し部分を第一円筒電極３１とし、下流側のはみ出し部分を第二円筒電極３２とすると、第二円筒部２２の内部の中央円筒電極３３の上流側には、第一円筒電極３１で取り囲まれた空間が配置され、下流側には第二円筒電極３２で取り囲まれた空間が配置されている。 The second cylindrical portion 22 protrudes from the central cylindrical electrode 33 on both sides of the central cylindrical electrode 33. The protruding portion on the upstream side of the central cylindrical electrode 33 is the first cylindrical electrode 31, and the protruding portion on the downstream side is the second cylindrical electrode. As for the electrode 32, a space surrounded by the first cylindrical electrode 31 is disposed upstream of the central cylindrical electrode 33 inside the second cylindrical portion 22, and a space surrounded by the second cylindrical electrode 32 is disposed downstream. space is arranged.

中央円筒電極３３は第一円筒電極３１の下流側に配置されており、第一円筒部２１の他端部と、中央円筒電極３３の上流側の端部との間は離間しており、第一円筒部２１の他端部と、中央円筒電極３３の上流側の端部との間は、第一円筒電極３１とその第一円筒電極３１で取り囲まれた空間とが配置され、中央円筒電極３３の下流側の端部よりも下流側には、第二円筒電極３２と、第二円筒電極３２で取り囲まれた空間とが配置されている。 The central cylindrical electrode 33 is arranged on the downstream side of the first cylindrical electrode 31, and the other end of the first cylindrical portion 21 and the upstream end of the central cylindrical electrode 33 are separated from each other. A first cylindrical electrode 31 and a space surrounded by the first cylindrical electrode 31 are arranged between the other end of the one cylindrical portion 21 and the upstream end of the central cylindrical electrode 33 . A second cylindrical electrode 32 and a space surrounded by the second cylindrical electrode 32 are arranged downstream of the downstream end of 33 .

中央円筒電極３３は、イオンビーム槽２５の外部に配置された集束電源３９に接続され、加速電圧よりも小さい値の集束電圧が印加され、接地電位の第一、第二円筒電極３１、３２と共にアインツェルレンズ(Einzel lens)３０が構成されている。 The central cylindrical electrode 33 is connected to a focusing power supply 39 arranged outside the ion beam chamber 25, and is applied with a focusing voltage smaller than the acceleration voltage, and is connected to the first and second cylindrical electrodes 31 and 32 at ground potential. An Einzel lens 30 is constructed.

集束電圧は第一円筒部２１とプラズマ槽１５との間の電位差２０ｋＶよりも小さい正電圧にされており、集束電圧はここでは１５ｋＶ程度の大きさであり、アインツェルレンズ３０は正イオンに対して減速型の凸レンズとなっている。 The focusing voltage is set to a positive voltage smaller than the potential difference of 20 kV between the first cylindrical portion 21 and the plasma chamber 15. Here, the focusing voltage is about 15 kV. It is a deceleration type convex lens.

第二円筒部２２に入射したイオンビームは第一円筒電極３１と中央円筒電極３３の間の電界と、中央円筒電極３３と第二円筒電極３２の間の電界によって集束され、ビーム径が細くなる。 The ion beam incident on the second cylindrical portion 22 is focused by the electric field between the first cylindrical electrode 31 and the central cylindrical electrode 33 and the electric field between the central cylindrical electrode 33 and the second cylindrical electrode 32, and the beam diameter becomes narrow. .

つまり、イオンビームはアインツェルレンズ３０を通過する間に集束され、ビーム径が細くなったイオンビームが放出孔１８から走行槽４１の内部に放出される。 That is, the ion beam is converged while passing through the Einzel lens 30, and the ion beam having a narrow beam diameter is emitted from the emission hole 18 into the traveling tank 41. FIG.

第一円筒電極３１と中央円筒電極３３の間の中心軸線２８方向に沿った距離はゼロと言うことができ、また、中央円筒電極３３と第二円筒電極３２との間の中心軸線２８方向に沿った距離もゼロと言うことができる。 The distance along the central axis 28 between the first cylindrical electrode 31 and the central cylindrical electrode 33 can be said to be zero, and the distance along the central axis 28 between the central cylindrical electrode 33 and the second cylindrical electrode 32 is The distance along can also be said to be zero.

従って、図３の従来技術のアインツェルレンズ１３０では、第一円筒電極１３１と中央円筒電極１３３と第二円筒電極１３２とが、中心軸線１２８方向に沿って少なくとも放電が発生しない距離を離間する必要があるのに比べて、このアインツェルレンズ３０では中心軸線２８に沿った方向の長さはゼロであり、アインツェルレンズ３０の長さが短く、イオンが衝突しにくく、また、装置の小型化に寄与している。 Therefore, in the prior art Einzel lens 130 of FIG. 3, the first cylindrical electrode 131, the central cylindrical electrode 133, and the second cylindrical electrode 132 must be separated along the direction of the central axis 128 by at least a distance at which discharge does not occur. , the length of the einzel lens 30 in the direction along the central axis 28 is zero. contributes to

ところで、磁界は、磁石装置６によってプラズマ槽１５の外部にも形成されており、正イオンが磁界の影響を受けると発散してしまう。 By the way, a magnetic field is also formed outside the plasma chamber 15 by the magnet device 6, and when positive ions are affected by the magnetic field, they diverge.

磁石装置６と第二円筒部２２の間のプラズマ槽１５の外周には、磁気を遮蔽する磁気シールド装置８が設けられている。磁気シールド装置８は板状でリング形形状の軟質磁性材料であり、プラズマ槽１５は磁気シールド装置８の中央に位置する孔４９に挿通されている。磁石装置６は磁気シールド装置８よりも上流側に位置しており、磁石装置６が形成する磁界は、磁気シールド装置８によって遮蔽されて磁気シールド装置８よりも下流側には広がらないようにされている。 A magnetic shield device 8 for shielding magnetism is provided on the outer circumference of the plasma bath 15 between the magnet device 6 and the second cylindrical portion 22 . The magnetic shield device 8 is a plate-like ring-shaped soft magnetic material, and the plasma bath 15 is inserted through a hole 49 located in the center of the magnetic shield device 8 . The magnet device 6 is located upstream of the magnetic shield device 8 , and the magnetic field formed by the magnet device 6 is shielded by the magnetic shield device 8 so as not to spread downstream of the magnetic shield device 8 . ing.

そのため、環状形状の平板の肩部電極２３によって第一円筒部２１と第二円筒部２２を接続してアインツェルレンズ３０を磁石装置６に近接させても、アインツェルレンズ３０内を走行するイオンビームが磁石装置６の磁気の影響で発散しないようにされている。また、アインツェルレンズ３０が磁石装置６に近接したので、装置が小型化されている。 Therefore, even if the first cylindrical portion 21 and the second cylindrical portion 22 are connected by the annular flat shoulder electrode 23 and the einzel lens 30 is brought close to the magnet device 6, ions traveling in the einzel lens 30 are The beam is prevented from diverging under the magnetic influence of the magnet arrangement 6 . Also, since the Einzel lens 30 is close to the magnet device 6, the size of the device is reduced.

アインツェルレンズ３０で集束されたイオンビームは上述したように走行槽４１の内部を走行して、質量分析されたイオンが注入対象物１０に注入される。
以上は中央円筒電極３３に正電圧を印加したが、負電圧を印加して正イオンのビームを集束させることもできる。 The ion beam focused by the Einzel lens 30 travels inside the travel tank 41 as described above, and ions subjected to mass analysis are implanted into the implantation target 10 .
Although the positive voltage was applied to the central cylindrical electrode 33 in the above, it is also possible to focus the positive ion beam by applying a negative voltage.

なお、以上は正イオンを注入対象物１０に注入する場合を説明したが、加速電圧を負電圧にしてイオン生成部４内で負イオンのプラズマを生成し、負イオンを注入対象物１０に注入することができる。この場合、中央円筒電極３３の電圧も負電圧にすることができる。 In the above description, the case where positive ions are implanted into the implantation object 10 is explained. can do. In this case, the voltage of the central cylindrical electrode 33 can also be a negative voltage.

２……イオン注入装置
３……イオン源
４……イオン生成部
５……イオン集束部
６……磁石装置
７……電極装置
８……磁気シールド装置
１０……注入対象物
１１……第一ミラー磁石
１２……第二ミラー磁石
１３……多極磁石
１４……プラズマ電極
１５……プラズマ槽
１６……プラズマ孔
１７……引出孔
１８……放出孔
２１……第一円筒部
２２……第二円筒部
２３……肩部電極
２４……引出電極
２５……イオンビーム槽
２８……中心軸線
３１……第一円筒電極
３２……第二円筒電極
３３……中央円筒電極
３７……真空排気装置
３９……集束電源
４３……質量分析部
2... Ion implanter 3... Ion source 4... Ion generation part 5... Ion focusing part 6... Magnet device 7... Electrode device 8... Magnetic shield device 10... Implantation object 11... First Mirror magnet 12 Second mirror magnet 13 Multipolar magnet 14 Plasma electrode 15 Plasma tank 16 Plasma hole 17 Extraction hole 18 Release hole 21 First cylindrical portion 22 Second cylindrical portion 23 Shoulder electrode 24 Extraction electrode 25 Ion beam tank 28 Central axis line 31 First cylindrical electrode 32 Second cylindrical electrode 33 Central cylindrical electrode 37 Vacuum Exhaust device 39 …… Focusing power supply 43 …… Mass spectrometer

Claims

イオンビームを射出するイオン源と、前記イオン源に接続された走行槽と、前記走行槽に設けられた質量分析部と、注入対象物が配置される試料室とを有し、
前記イオン源にはイオン生成部とイオン集束部とが設けられ、
前記イオン生成部で生成されたイオンが引き出され、イオンビームとなって前記イオン集束部で集束されて前記走行槽に射出され、射出された前記イオンビーム中のイオンは前記質量分析部によって質量分析され、所望の質量電荷比を有するイオンから成るイオンビームが前記試料室の内部に配置された前記注入対象物に照射され、前記注入対象物に前記イオンが注入されるイオン注入装置であって、
前記イオン生成部にはプラズマ槽が設けられ、
前記イオン集束部には、イオンビーム槽と、第一円筒部と、第二円筒部と、中央円筒電極と、が設けられ、
前記プラズマ槽と前記第一円筒部と前記第二円筒部と前記中央円筒電極とはそれぞれ円筒形形状にされて中心軸線が一致して配置され、
前記第二円筒部は前記イオンビーム槽の内部に配置され、
前記中央円筒電極は前記第二円筒部の内部に配置され、
前記第一円筒部と前記第二円筒部とは電気的に接続され、
前記第一円筒部の一端部の底面は円板形形状の引出電極にされ、
前記第一円筒部の他端部と、前記第二円筒部の両端と前記中央円筒電極の両端とは開口にされ、
前記第一円筒部は前記プラズマ槽と非接触にされて前記引出電極が前記プラズマ槽の内部に挿入され、前記引出電極は前記プラズマ槽の内部に配置されたプラズマ電極と正対され、
前記第一円筒部の前記他端部は前記イオンビーム槽の内部に位置し、
前記中央円筒電極は前記第一円筒部の下流側に配置され、
前記第二円筒部の両端は前記中央円筒電極の両端からはみ出しており、はみ出した部分の前記イオンビームの上流側を第一円筒電極とし、下流側を第二円筒電極とすると、前記第一円筒部と前記中央円筒電極の間に前記第一円筒電極で取り囲まれた空間が配置され、前記中央円筒電極の下流側には前記第二円筒電極で取り囲まれた空間が配置されており、
前記引出電極と前記第一、第二円筒電極には同電位が印加され、前記中央円筒電極には前記第一、第二円筒電極よりも高電圧が印加され、
前記プラズマ電極と前記引出電極との間の電位差によって前記引出電極に設けられた引出孔から前記プラズマ槽の内部のイオンが引き出されてイオンビームとなり、前記第一円筒電極と前記中央円筒電極と前記第二円筒電極とで集束されるイオン注入装置。 An ion source that emits an ion beam, a traveling tank connected to the ion source, a mass spectrometer provided in the traveling tank, and a sample chamber in which an injection target is arranged,
The ion source is provided with an ion generation section and an ion focusing section,
The ions generated by the ion generation unit are extracted, converted into an ion beam, focused by the ion focusing unit and ejected into the traveling tank, and the ions in the ejected ion beam are subjected to mass analysis by the mass analysis unit. and an ion beam composed of ions having a desired mass-to-charge ratio is irradiated onto the object to be implanted placed inside the sample chamber, and the ions are implanted into the object to be implanted,
A plasma bath is provided in the ion generation unit,
The ion focusing part is provided with an ion beam tank, a first cylindrical part, a second cylindrical part, and a central cylindrical electrode,
the plasma tank, the first cylindrical portion, the second cylindrical portion, and the central cylindrical electrode are each formed in a cylindrical shape and arranged with their central axes aligned;
the second cylindrical portion is disposed inside the ion beam chamber;
the central cylindrical electrode is positioned inside the second cylindrical portion;
The first cylindrical portion and the second cylindrical portion are electrically connected,
The bottom surface of one end of the first cylindrical portion is a disk-shaped extraction electrode,
The other end of the first cylindrical portion, both ends of the second cylindrical portion, and both ends of the central cylindrical electrode are open,
The first cylindrical portion is kept out of contact with the plasma chamber, the extraction electrode is inserted into the plasma chamber, the extraction electrode faces the plasma electrode disposed inside the plasma chamber,
The other end of the first cylindrical portion is located inside the ion beam tank,
the central cylindrical electrode is positioned downstream of the first cylindrical portion;
Both ends of the second cylindrical portion protrude from both ends of the central cylindrical electrode. A space surrounded by the first cylindrical electrode is arranged between the part and the central cylindrical electrode, and a space surrounded by the second cylindrical electrode is arranged downstream of the central cylindrical electrode,
The same potential is applied to the extraction electrode and the first and second cylindrical electrodes, and a higher voltage is applied to the central cylindrical electrode than the first and second cylindrical electrodes,
Due to the potential difference between the plasma electrode and the extraction electrode, ions inside the plasma chamber are extracted from an extraction hole provided in the extraction electrode to form an ion beam. An ion implanter focused with a second cylindrical electrode.

前記イオン生成部は環状の第一、第二ミラー磁石を有し、
前記第二ミラー磁石は前記第一ミラー磁石よりも前記中央円筒電極に近い位置に互いに離間して配置され、
前記プラズマ槽は、前記第一、第二ミラー磁石の中央の貫通孔に挿入され、前記プラズマ槽の前記第一、第二ミラー磁石の間の部分は多極磁石によって取り囲まれ、
前記プラズマ槽の内部の前記第一、第二ミラー磁石の間に電子が閉じ込められ、ガス供給源から前記プラズマ槽の内部に供給されたイオン化ガスがイオンにされる請求項１記載のイオン注入装置。 The ion generator has annular first and second mirror magnets,
the second mirror magnets are spaced apart from each other at a position closer to the central cylindrical electrode than the first mirror magnets;
the plasma chamber is inserted into the central through-hole of the first and second mirror magnets, the portion of the plasma chamber between the first and second mirror magnets is surrounded by multipolar magnets;
2. The ion implanter according to claim 1, wherein electrons are confined between said first and second mirror magnets inside said plasma chamber, and an ionized gas supplied from a gas supply source into said plasma chamber is ionized. .

前記第二ミラー磁石と前記第一円筒電極との間には磁気を遮蔽する磁気シールド装置が配置された請求項２記載のイオン注入装置。 3. The ion implanter according to claim 2, wherein a magnetic shield device for shielding magnetism is arranged between said second mirror magnet and said first cylindrical electrode.

前記第一円筒部の下流側の端部の開口の周囲と、前記第二円筒部の上流側の開口の周囲とは、環状形形状の平板の肩部電極によって電気的・機械的に接続された請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のイオン注入装置。 The circumference of the opening at the downstream end of the first cylindrical portion and the circumference of the opening on the upstream side of the second cylindrical portion are electrically and mechanically connected by an annular flat plate shoulder electrode. The ion implanter according to any one of claims 1 to 3.

イオン生成部とイオン集束部とが設けられ、
前記イオン生成部で生成されたイオンが引き出され、イオンビームとなって前記イオン集束部で集束されて射出されるイオン源であって、
前記イオン生成部にはプラズマ槽が設けられ、
前記イオン集束部には、イオンビーム槽と、第一円筒部と、第二円筒部と、中央円筒電極と、が設けられ、
前記プラズマ槽と前記第一円筒部と前記第二円筒部と前記中央円筒電極とはそれぞれ円筒形形状にされて中心軸線が一致して配置され、
前記第二円筒部は前記イオンビーム槽の内部に配置され、
前記中央円筒電極は前記第二円筒部の内部に配置され、
前記第一円筒部と前記第二円筒部とは電気的に接続され、
前記第一円筒部の一端部の底面は円板形形状の引出電極にされ、
前記第一円筒部の他端部と、前記第二円筒部の両端と前記中央円筒電極の両端とは開口にされ、
前記第一円筒部は前記プラズマ槽と非接触にされて前記引出電極が前記プラズマ槽の内部に挿入され、前記引出電極は前記プラズマ槽の内部に配置されたプラズマ電極と正対され、
前記第一円筒部の前記他端部は前記イオンビーム槽の内部に露出され、
前記中央円筒電極は前記第一円筒部の下流側に配置され、
前記第二円筒部の両端は前記中央円筒電極の両端からはみ出しており、はみ出した部分の前記イオンビームの上流側を第一円筒電極とし、下流側を第二円筒電極とすると、前記第一円筒部と前記中央円筒電極の間に前記第一円筒電極で取り囲まれた空間が配置され、前記中央円筒電極の下流側には前記第二円筒電極で取り囲まれた空間が配置されており、
前記引出電極と前記第一、第二円筒電極には同電位が印加され、前記中央円筒電極には前記第一、第二円筒電極よりも高電圧が印加され、
前記プラズマ電極と前記引出電極との間の電位差によって前記引出電極に設けられた引出孔から前記プラズマ槽の内部のイオンが引き出されてイオンビームとなり、前記第一円筒電極と前記中央円筒電極と前記第二円筒電極とで集束されるイオン源。 An ion generator and an ion focuser are provided,
An ion source in which ions generated by the ion generator are extracted, converted into an ion beam, and emitted after being focused by the ion focusing unit,
A plasma bath is provided in the ion generation unit,
The ion focusing part is provided with an ion beam tank, a first cylindrical part, a second cylindrical part, and a central cylindrical electrode,
the plasma tank, the first cylindrical portion, the second cylindrical portion, and the central cylindrical electrode are each formed in a cylindrical shape and arranged with their central axes aligned;
the second cylindrical portion is disposed inside the ion beam chamber;
the central cylindrical electrode is positioned inside the second cylindrical portion;
The first cylindrical portion and the second cylindrical portion are electrically connected,
The bottom surface of one end of the first cylindrical portion is a disk-shaped extraction electrode,
The other end of the first cylindrical portion, both ends of the second cylindrical portion, and both ends of the central cylindrical electrode are open,
The first cylindrical portion is kept out of contact with the plasma chamber, the extraction electrode is inserted into the plasma chamber, the extraction electrode faces the plasma electrode disposed inside the plasma chamber,
the other end of the first cylindrical portion is exposed inside the ion beam chamber;
the central cylindrical electrode is positioned downstream of the first cylindrical portion;
Both ends of the second cylindrical portion protrude from both ends of the central cylindrical electrode. A space surrounded by the first cylindrical electrode is arranged between the part and the central cylindrical electrode, and a space surrounded by the second cylindrical electrode is arranged downstream of the central cylindrical electrode,
The same potential is applied to the extraction electrode and the first and second cylindrical electrodes, and a higher voltage is applied to the central cylindrical electrode than the first and second cylindrical electrodes,
Due to the potential difference between the plasma electrode and the extraction electrode, ions inside the plasma chamber are extracted from an extraction hole provided in the extraction electrode to form an ion beam. An ion source focused with a second cylindrical electrode.

前記イオン生成部は環状の第一、第二ミラー磁石を有し、
前記第二ミラー磁石は前記第一ミラー磁石よりも前記中央円筒電極に近い位置に互いに離間して配置され、
前記プラズマ槽は、前記第一、第二ミラー磁石の中央の貫通孔に挿入され、前記プラズマ槽の前記第一、第二ミラー磁石の間の部分は多極磁石によって取り囲まれ、
前記プラズマ槽の内部の前記第一、第二ミラー磁石の間に電子が閉じ込められ、ガス供給源から前記プラズマ槽の内部に供給されたイオン化ガスがイオンにされる請求項５記載のイオン源。 The ion generator has annular first and second mirror magnets,
the second mirror magnets are spaced apart from each other at a position closer to the central cylindrical electrode than the first mirror magnets;
the plasma chamber is inserted into the central through-hole of the first and second mirror magnets, the portion of the plasma chamber between the first and second mirror magnets is surrounded by multipolar magnets;
6. The ion source of claim 5, wherein electrons are confined between said first and second mirror magnets inside said plasma chamber, and ionized gas supplied from a gas supply source into said plasma chamber is ionized.

前記第二ミラー磁石と前記第一円筒電極との間には磁気を遮蔽する磁気シールド装置が配置された請求項６記載のイオン源。 7. The ion source according to claim 6, wherein a magnetic shield device for shielding magnetism is arranged between said second mirror magnet and said first cylindrical electrode.

前記第一円筒部の下流側の端部の開口の周囲と、前記第二円筒部の上流側の開口の周囲とは、環状形形状の平板の肩部電極によって電気的・機械的に接続された請求項５乃至請求項７のいずれか１項記載のイオン源。 The circumference of the opening at the downstream end of the first cylindrical portion and the circumference of the opening at the upstream side of the second cylindrical portion are electrically and mechanically connected by an annular flat plate shoulder electrode. The ion source according to any one of claims 5 to 7.